DE2151916B2 - Magnetic storage for a vertical shaft - Google Patents
Magnetic storage for a vertical shaftInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine magnetische Lagerung für eine schnell laufende senkrechte Welle mit je einem oberen und einem unteren koaxialen Magnetlager, die die Welle derart aufnehmen, daß das obere Magnetlager auf die Welle eine nach oben gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Spule aufweist, die in einem feststehenden '. Spulengehäuse untergebracht ist und deren Speisung durch einen axialen induktiven Positionsgeber geregelt ist, welcher die Axiallage der Welle erfaßt, wobei die Regelung derart erfolgt, daß der axiale Lagerli/tspalt konstant bleibt, und das untere Magnetlager auf dieThe invention relates to a magnetic bearing for a high-speed vertical shaft, each with one upper and a lower coaxial magnetic bearing, which receive the shaft in such a way that the upper magnetic bearing exerts an upward axial force on the shaft and at least one coaxial with the bearing axis arranged coil, which in a fixed '. Coil housing is housed and its power supply is controlled by an axial inductive position sensor, which detects the axial position of the shaft, the Control takes place in such a way that the axial bearing gap remains constant, and the lower magnetic bearing on the
in Welle eine nach unten gerichtete Axialkraft ausübt und mindestens eine koaxial zur Lagerachse angeordnete Ringspule aufweist, die in einem Spulengehäuse untergebracht ist, wobei da1· Spulengehäuse des unteren Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Formin shaft exerts a downward axial force and at least one coaxially arranged to the bearing axis toroidal coil which is housed in a coil housing, said coil housing as 1 · of the lower magnetic bearing has a cross section having the shape of
is eines nach oben offenen U hat und unter einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach unten geöffneten U hat, das Spulengehäuse des oberen Magnetlagers einen Querschnitt aufweist, der die Formhas a U open at the top and under a pole ring is arranged, which is firmly connected to the shaft and whose cross section has the shape of a down has opened U, the coil housing of the upper magnetic bearing has a cross section that corresponds to the shape
.'o eines nach unten geöffneten U hat und über einem Polring angeordnet ist, der fest mit der Welle verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat, und die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse und der Polringe mit.'o has a downwardly open U and above a Pole ring is arranged, which is firmly connected to the shaft and whose cross section has the shape of an upward has open U, and the opposing parts of the coil housing and the pole rings with
ΐϊ gegeneinander weisenden Zähnen ausgerüstet sind. ΐϊ are equipped with opposing teeth.
Eine magnetische .Lagerung dieser Art für schnell laufende senkrechte Wellen besitzt geringste Reibungsverluste sowie eine verhältnismäßig große Lagersteifigkeit in axialer Richtung, jedoch eine geringereA magnetic bearing of this type for high-speed vertical shafts has minimal friction losses and a relatively high bearing rigidity in the axial direction, but less
«ι Lagersteifigkeit in radialer Richtung. Solche Wellenlagerungen finden mit Vorteil in Zentrifugen, insbesondere in Ultrazentrifugen Verwendung. Das gegenüber dem Axialspiel größere Radialspiel ist erwünscht, um das von der Welle getragene rotierende System mit«Ι Bearing stiffness in the radial direction. Such shaft bearings are advantageously used in centrifuges, especially in ultracentrifuges. The opposite the axial play greater radial play is desirable in order to use the rotating system carried by the shaft
i") verhältnismäßig geringen mechanischen Kräften durch die Resonanzdrehzahlen fahren zu können.i ") relatively low mechanical forces to be able to drive the resonance speeds.
Eine magnetische Lagerung der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise aus der US-PS 34 74 852 bekannt. Die dort beschriebene Wcüeniagerung ist mit einem oberen und einem unteren Magnetlager ausgerüstet, die zugleich stabilisierende Kräfte in radialer Richtung und gegeneinander wirkende, stabilisierende Kräfte in axialer Richtung ausüben. Ein axialer Positionsgeber, verbunden mit einem auf die Verlage-A magnetic mounting of the type described at the outset is, for example, from US Pat. No. 3,474,852 known. The toilet storage described there is with equipped with an upper and a lower magnetic bearing, which at the same time have stabilizing forces in the radial direction Direction and counteracting, stabilizing forces exert in the axial direction. An axial one Position transmitter, connected to a publisher
r, rungsgeschwindigkeit ansprechenden Geber, kontrollieren die Speisespannungen der Spulen der Elektromagneten der beiden Magnetlager. Diese Lagerung ermöglicht zwar ein eng begrenztes Axialspiel, sie ist jedoch nicht dafür geeignet, sich Längenänderungen derCheck the encoder that responds to the speed of movement the supply voltages of the coils of the electromagnets of the two magnetic bearings. This storage allows a narrowly limited axial play, but it is not suitable for changes in length of the
ν» Welle anzupassen bzw. eine bestimmte axiale Steifigkeit auch bei Änderungen in der Wellenlänge aufrechtzuerhalten. ν »adapt shaft or a certain axial stiffness to be maintained even with changes in wavelength.
Auch aus der US-PS 34 90 816 ist eine magnetische Lagerung für eine senkrechte Welle mit einem oberenAlso from US-PS 34 90 816 is a magnetic bearing for a vertical shaft with an upper
r> und einem unteren Magnetlager bekannt, die an den Enden der Welle angeordnet sind. Jedes Lager weist zwei Spulen auf. Die Speisespannung der einen Spule jedes Magnetlagers wird von einem axialen Positionsgeber gesteuert, während die Speisespannung der zweitenr> and a lower magnetic bearing known to the Ends of the shaft are arranged. Each bearing has two coils. The supply voltage of one coil each magnetic bearing is controlled by an axial position encoder, while the supply voltage is controlled by the second
6(i Spule duFch einen auf die Verlagerungsgeschwindigkeit ansprechenden Geber gesteuert wird. Eine solche Lagerung erlaubt eine Stabilisierung der axialen Positionierung der Welle. Aber auch diese bekannte Ausführungsform kann möglichen Längenänderungen6 (i reel you in on the displacement speed responsive encoder is controlled. Such a storage allows a stabilization of the axial Positioning the shaft. But this known embodiment can also change possible length
(>"> der Welle nicht Rechnung tragen.(> "> do not take the wave into account.
Da !.ich der magnetische Kraftfluß zwischen dem Spulenkern des Lagers und dem Polring des rotierenden Systems mit größer werdendem Luftspalt zwischenDa! .Me the magnetic flux between the coil core of the bearing and the pole ring of the rotating System with increasing air gap between
diesen Teilen stark vermindert, nimmt auch die axiale Steifigkeit der bekannten Lager mit zunehmendem Axialspiel der Welle erheblich ab. Eine für viele Anwendungsfälle in axialer Richtung ausreichende Steifigkeit der Wellenlagerung ist daher nur dann -> gegeben, wenn der axiale Spalt zwischen den Spulenkernen der Lager und den diesen gegenüberliegenden Polringen des Wellensystems äußerst gering ist Größenordnungsi,läßig sind dabei Spaltweiten von etwa 0,1 mm erforderlich. Bei derart geringen Spaltwei- in ten sind Längenänderungen der Welle praktisch nicht mehr zulässig. Dehnt sich die Welle aus, stößt die Lagerung an, wird sie kürzer, nimmt die axiale Steifigkeit der Lagerung stark ab.These parts are greatly reduced, the axial also decreases The rigidity of the known bearings decreases considerably with increasing axial play of the shaft. One for many Applications in the axial direction sufficient rigidity of the shaft bearing is therefore only -> given when the axial gap between the cores of the bearings and those opposite them Pole rings of the shaft system are extremely small, gap widths of about 0.1 mm required. With such small gap widths, changes in length of the shaft are practically non-existent more permissible. If the shaft expands, the bearing hits; if it becomes shorter, the axial one takes over Stiffness of the storage strongly.
Insbesondere bei schnell laufenden Zentrifugen, die mit Drehzahlen bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute arbeiten, treten Verformungen des rotierenden Zentrifugenkörpers auf, die zu dessen Durchmesserzunahme und zu einer entsprechenden Verkürzung der Welle führen. Die stärksten Dimens-onsänderungen treten beim Durchfahren der kritischen Drehzahlen au» und können zu einer Wellenverkürzung bis beispielsweise 2 mm führen. Diesem Zahlenbeispiel ist ohne weiteres entnehmbar, daß eine solche Wellenverkürzung, gemessen an dem geforderten Axialspiel der >s Welle von etwa 0,1 mm zu einer unverhältnismäßig großen Verbreiterung des Luftspaltes der Magnetlagerung führt, die eine entsprechende Abnahme der axialen Steifigkeit der Lagerung zur Folge hatEspecially with high-speed centrifuges with speeds of up to 100,000 revolutions per Working minute, deformations of the rotating centrifuge body occur, leading to its diameter increase and lead to a corresponding shortening of the shaft. The strongest dimensional changes occur when the critical speeds are passed and can lead to a shaft shortening up to, for example 2 mm lead. This numerical example shows that such a shortening of the shaft, measured on the required axial play of the> s Wave of about 0.1 mm leads to a disproportionately large widening of the air gap of the magnetic bearing leads, which has a corresponding decrease in the axial stiffness of the bearing result
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine jo magnetische Lagerung der eingangs bezeichneten Art derart zu verbessern, daß das geforderte Verhältnis zwischen einer verhältnismäßig großen Lagersteifigkeit in axialer Richtung und einer niedrigeren Lagersteifigkeit in radialer Richtung auch bei Längenänderungen der Welle aufrecht erhalten werden kann, d. h, daß bei solchen Längenänderungen der axiale Luftspalt der Lagerungen konstant gehalten werden kann, so daß die Steifigkeit der Lagerung in axialer Richtung unverändert bleibt. inThe invention is therefore based on the object of a jo To improve magnetic storage of the type mentioned in such a way that the required ratio between a relatively high bearing rigidity in the axial direction and a lower bearing rigidity can be maintained in the radial direction even with changes in length of the shaft, d. h that at such changes in length, the axial air gap of the bearings can be kept constant, so that the The stiffness of the bearing remains unchanged in the axial direction. in
Diese Aufgabe wird für eine magnetische Lagerung der betreffenden Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Spulengehäuse des unteren Magnetlagers axial gleitend gegen ein Rückholglied in einem feststehenden Lagergehäuse montiert ist, und daß ein axialer induktiver Positionsgeber am unteren Wellenende vorgesehen ist, der die Speisespannung der Ringspule des unteren Magnetlagers derart regelt, daß der axiale Lagerluftspalt konstant bleibtAccording to the invention, this object is achieved for a magnetic bearing of the type in question by that the coil housing of the lower magnetic bearing axially sliding against a return member in a stationary Bearing housing is mounted, and that an axial inductive position sensor is provided at the lower end of the shaft, which supplies the ring coil of the lower magnetic bearing controls in such a way that the axial bearing air gap remains constant
Diese Ausbildung des unteren Magnetlagers stellt praktisch eine funktionsmäßige Hintereinanderschaltung zweier Kraft-Weg-abhängiger Elemente dar, von denen das eine, nämlich das eigentliche magnetische Lager, eine sehr stfrke Abhängigkeit der Kraft vom Verschiebungsweg aufweist, das andere aber in seinem Kraftverhalten verhältnismäßig unabhängig vom Weg gehalten werden kann. Diese Maßnahme ermöglicht es, das magnetische Lager durch entsprechend geregelte Stromaufnahme auch bei Änderung der Wellenlänge keine Relativbewegung zwischen Welle und Spulenge- oo häuse des Magnetlagers ausführen zu lassen, so daß die gesamte Längenänderung der Welle von dem elastischen Rückholglied aufgefangen wird. Damit sind Längenänderungen der Welle möglich, ohne auf die berührungsfreie, magnetische Lagerung der Welle unter 6b konstanten Bedingungen verzichten zu müssen.This design of the lower magnetic bearing practically represents a functional series connection of two force-displacement-dependent elements, one of which, namely the actual magnetic bearing, has a very strong force dependence on the displacement path, while the other's force behavior is relatively independent of the path can be held. This measure enables the magnetic bearing to be prevented from executing any relative movement between the shaft and Spulenge oo housing of the magnetic bearing by appropriately regulated power consumption even when the wavelength changes, so that the entire change in length of the shaft is absorbed by the elastic return member. Changes in length of the shaft are thus possible without having to forego the contact-free, magnetic bearing of the shaft under constant conditions.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie deren Verwendung sind in den Unteransprüchen beanspruchtAdvantageous further developments of the invention and their use are set out in the subclaims claimed
Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen im einzelnen näher beschrieben. Es stellen darIn the following a preferred embodiment of the invention with reference to the drawings in each described in more detail. It represent
F i g. 1 einen schematischen Axialschnitt durch die magnetische Lagerung einer vertikal angeordneten Welle;F i g. 1 shows a schematic axial section through the magnetic mounting of a vertically arranged Wave;
F i g. 2 ein beispielhaftes Schaltbild für ein Magnetlager einer Lagerung nach F i g. 1 undF i g. FIG. 2 shows an exemplary circuit diagram for a magnetic bearing of a bearing according to FIG. 1 and
F i g. 3 eine Einzelheit der Magnetlager nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab.F i g. 3 shows a detail of the magnetic bearings according to FIG. 1 on an enlarged scale.
Die in F i g 1 schematisch dargestellte magnetische Lagerung besitzt zwei koaxiale Magnetlager 1 und 2, in denen die beiden Enden einer senkrechten Welle 3 gelagert sind.The magnetic bearing shown schematically in FIG. 1 has two coaxial magnetic bearings 1 and 2, in which the two ends of a vertical shaft 3 are mounted.
Die Welle 3 trägt im gewählten Anwendungsbeispiel der Erfindung eine schnell laufende Trommel 4 einer Zentrifuge oder Ultrazentrifuge. Der Antrieb der Trommel erfolgt durch nicht dargestellte Antriebsmittel wie z. B. einen Elektromotor, dessp,- Rotor sich im Trommelmantei befinden kann.The shaft 3 carries a high-speed drum 4 in the selected application example of the invention Centrifuge or ultracentrifuge. The drum is driven by drive means (not shown) such as B. an electric motor, desp, - rotor itself in Drum cladding can be located.
Das obere Magnetlager I übt auf die Welle 3 eine nach oben gerichtete Axialkraft aus. Dieses Lager besitzt mindestens eine Spule 5, deren Speisung von einem zugehörigen Positionsgeber 6 gesteuert wird, der die Axiallage der Welle 3 erfaßt, so daß der Luftspalt des Lagers konstant bleibt Das untere Magnetlager 2 übt auf die Welle 3 eine nach unten gerichtete Axialkraft aus.The upper magnetic bearing I exerts an upwardly directed axial force on the shaft 3. This camp has at least one coil 5, the supply of which is controlled by an associated position encoder 6, the the axial position of the shaft 3 is detected so that the air gap of the bearing remains constant. The lower magnetic bearing 2 exercises a downward axial force on the shaft 3.
Die beiden Magnetlager 1 und 2 sind so ausgebildet, daß sie auf die Welle 3 auch Radialkräfte ausüben, welche die Welle bei einer Ausslenkung in die koaxiale Mittelstellung zurückzuführen versuchen.The two magnetic bearings 1 and 2 are designed so that they also exert radial forces on the shaft 3, which attempt to return the shaft to the coaxial center position when it deflects.
Das obere Magnetlager t besitzt vorteilhaft eine einzige koaxiale Ringspule 5, die in einem metallischen Spulengehäuse 7 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach unten offenen U aufweistThe upper magnetic bearing t advantageously has a single coaxial ring coil 5, which is in a metallic Coil housing 7 is housed, the cross section of which has the shape of a downwardly open U
Das Metallgehäuse 7 ist über einem Polrwg 8 angeordnet, der fest mit der Welle 3 bzw. der Trommel 4 verbunden ist und dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hatThe metal housing 7 is arranged over a Polrwg 8, which is fixed to the shaft 3 or the drum 4 is connected and whose cross-section has the shape of an upwardly open U.
Das untere Magnetlager 2 übt eine nach unten gerichtete Kraft auf die Welle 3 aus. Das Magnetlager besitzt eine koaxiale Ringspule 12, die in einem in Drehrichtung festen metallischen Spulengehäuse 13 untergebracht ist, dessen Querschnitt die Form eines nach oben offenen U hat. Das Spulengehäuse 13 ist unter einem Polring 14 angeordnet, der fest mit der Welle 3 oder der Trommel 4 verbunden ist und dessen Querschnitt die Forn? eines nach unten offenen U hatThe lower magnetic bearing 2 exerts a downward force on the shaft 3. The magnetic bearing has a coaxial ring coil 12, which is mounted in a metallic coil housing 13 that is fixed in the direction of rotation is housed, the cross-section of which has the shape of an upwardly open U. The bobbin case 13 is arranged under a pole ring 14 which is firmly connected to the shaft 3 or the drum 4 and its Cross-section the forn? has a U open at the bottom
Bei den oberen oder unteren Magnetlagern 1 und 2 fällt die Achse der Ringspule (5 oder 12) zusammen mit der Ac!,se des entsprechenden Spulengehäuses (7 oder 13). Da nun diese Spulengehäuse im Querschnitt U-förmig sind, wird Jer magnetische Fluß gezwungen, um den die Spule aufnehmenden ringförmigen Raum zu laufen, wobei magnetische Nord- und Südpole entstehen, wie für das obere Magnetlager 1 in Fig. 1 angedeutet ist. Der äußere Umfangsteil des zugehörigen Polringes (8 oder 14) besitzt also während der Drehung immer die gleiche Polarität. Wenn die Achsen von Lager und Sp11Ie fluchten, dann ist demnach die Induktion an jedem beliebigen Punkt des Polringes während seiner Drehung konstant. Hieraus ergibt sich, daß das magnetische Reibungsmoment auf einen Minimalwert reduziert ist.In the case of the upper or lower magnetic bearings 1 and 2, the axis of the ring coil (5 or 12) coincides with the axis of the corresponding coil housing (7 or 13). Since these coil housings are now U-shaped in cross-section, magnetic flux is forced to run around the annular space receiving the coil, with north and south magnetic poles, as indicated for the upper magnetic bearing 1 in FIG. The outer peripheral part of the associated pole ring (8 or 14) thus always has the same polarity during rotation. If the axes of the bearing and Sp 11 Ie are aligned, then the induction is constant at any point on the pole ring during its rotation. It follows that the magnetic frictional torque is reduced to a minimum value.
Zur Aufnahme von Längenänderungen der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit wahrem· desTo accommodate changes in length of the unit formed by shaft 3 and drum 4 is true
Betriebes ist das Spulengehäuse 13, welches die Ringspule 12 des unteren Magnetlagers 2 aufnimmt, axial gleitend in einem feststehenden Lagergehäuse 15 aufgenommen und wird durch eine Feder 15a nach oben zu gedrückt. Zur Begrenzung des Hubes des Spulengehäuses 13 nach unten ist ein Anschlag 15ö vorgesehen. Ein Positionsgeber 16 ist am unteren Wcllenende angeordnet. Er steuert die Speisung der Ringspule 12 so, daß der Luftspalt des unteren Magnetlagers 2 konstant bleibtIn operation, the coil housing 13, which receives the ring coil 12 of the lower magnetic bearing 2, is received in an axially sliding manner in a stationary bearing housing 15 and is pressed upwards by a spring 15a. A stop 15ö is provided to limit the downward stroke of the bobbin case 13. A position sensor 16 is arranged at the lower end of the toilet. It controls the supply of the ring coil 12 so that the air gap of the lower magnetic bearing 2 remains constant
Die Positionsgeber (6,16) sind induktive Geber.The position sensors (6, 16) are inductive sensors.
In Fig. 2 ist schematisch ein elektronischer Regelkreis zur Lagepositionierung eines Magnetlagers dargestellt, der als Beispiel zwischen den Posilionsgeber 6 und die Ringspule 5 des oberen Magnetlagers 1 geschaltet ist.An electronic control circuit for positional positioning of a magnetic bearing is schematically shown in FIG. 2 shown, as an example between the position sensor 6 and the ring coil 5 of the upper magnetic bearing 1 is switched.
Die Spule des induktiven Gebers 6 wird von einerThe coil of the inductive transmitter 6 is of a
gangssignal wird von einer Schaltung verarbeitet, in der seriell ein Filterglied 18. ein Phasenschieber 19 und ein Verstärker 20 angeordnet sind, der zusätzlich von einer Gleichspannungsquelle 21 eine Gleichspannung erhält, die proportional zum scheinbaren Gewicht der von Welle 3 und Trommel 4 gebildeten Einheit ist. Der Verstärker 20 speist direkt die Ringspule 5 des Magnetlagers 1.output signal is processed by a circuit in which a filter element 18, a phase shifter 19 and a serial Amplifier 20 are arranged, which additionally receives a direct voltage from a direct voltage source 21, which is proportional to the apparent weight of the unit formed by shaft 3 and drum 4. Of the Amplifier 20 feeds ring coil 5 of magnetic bearing 1 directly.
Um eine bessere Zentrierung der Magnetlager 1 und 2 zu bewirken, sind gemäß F i g. 3 die einander gegenüberstehenden Teile der Spulengehäuse 7 und 13 und der Polringe 8 und 14 mit gegeneinander weisenden Zähnen 22 versehen. Die Magnetlager 1 und 2 sind bevorzugt so ausgelegt, daß sie weit vom magnetischen ι Sättigungspunkt entfernt arbeiten, was relativ große Radialauslenkungen erlaubt, ohne deshalb die Axialkräfte zu schwächen.In order to achieve better centering of the magnetic bearings 1 and 2, according to FIG. 3 the each other opposing parts of the coil housing 7 and 13 and the pole rings 8 and 14 with facing each other Teeth 22 provided. The magnetic bearings 1 and 2 are preferably designed so that they are far from the magnetic ι Work away from the saturation point, which allows relatively large radial deflections without reducing the axial forces to weaken.
Als Beispiel läßt sich bei einer zu lagernden MasseAs an example, a mass to be stored
von ca. IO kg eine magnetische Lagerung realisieren mitof approx. 10 kg realize a magnetic storage with
κι einer Axialsteife, die einem l.agerspiel von ca. 0,1 mm entspricht, und mit einer Radialsteife, die einem l.agerspiel von ca. I mm entspricht.κι an axial stiffness that has a bearing play of approx. 0.1 mm and with a radial stiffness that corresponds to a bearing play of approx. 1 mm.
Die magnetische Lagerung weist eine Reihe von Vorteilen auf, unter denen insbesondere folgende zu i'i nennen sind:Magnetic storage has a number of advantages, including the following in particular I name are:
Mit ihr läßt sich eine Aufhängung erzielen, die eine große Steifigkeit in Axialrichtung und eine geringe Steifigkeit in Radialrichtung besitzt:With it a suspension can be achieved, the one has high rigidity in the axial direction and low rigidity in the radial direction:
sie gestattet ohne Schwierigkeiten das Durchlaufen j'i kritischer Drehzahlen;it allows critical speeds to be passed through without difficulty;
sie ist zuverlässig, robust und gegenüber aggressiver Atmosphäre unempfindlich;it is reliable, robust and insensitive to an aggressive atmosphere;
sie erlaubt Längenänderungen der gelagerten Welle. ohne daß sich die Steifigkeitseigenschaften der beiden :> Magnetlager ändern;it allows changes in length of the stored shaft. without affecting the stiffness properties of the two :> Change magnetic bearing;
sie erzeugt nur sehr geringe Reibungsmomente und weist keinerlei Berührungskontakt auf.it generates only very low frictional moments and has no physical contact whatsoever.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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